חוקרים פירטו את המבנה והתפקוד של האנזים סטירן אוקסיד איזומראז, כלי המאפשר כימיה ירוקה על ידי הקלה על המקבילה הביולוגית של תגובת מיינוולד. היכולת של אנזים זה לייצר מוצרים ספציפיים עם יעילות גבוהה וסטראוספציפיות טומנת בחובה פוטנציאל משמעותי לתעשיות הכימיות והתרופות, ומבטיחה תהליכים בני קיימא וידידותיים יותר לסביבה. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
מדענים ממכון פול שרר (PSI) אפיינו לראשונה במדויק את האנזים סטירן אוקסיד איזומראז, שניתן להשתמש בו לייצור כימיקלים יקרי ערך ומבשרי תרופות באופן ידידותי לסביבה. המחקר מופיע היום בכתב העת כימיה של הטבע.
אנזימים הם ביומולקולות חזקות שניתן להשתמש בהן לייצור חומרים רבים בתנאי הסביבה. הם מאפשרים כימיה "ירוקה", המפחיתה את הזיהום הסביבתי הנובע מתהליכים המשמשים בכימיה סינתטית. כלי אחד כזה מהטבע אופיינ כעת בפירוט על ידי חוקרי PSI: האנזים סטירן אוקסיד איזומראז. זוהי הגרסה הביולוגית של תגובת מיינוולד, תגובה כימית חשובה בכימיה אורגנית.
"האנזים, שהתגלה לפני עשרות שנים, נוצר על ידי חיידקים", אומר ריצ'רד קמרר ממעבדת המחקר הביו-מולקולרית של PSI. עמיתו שיאודן לי מוסיף: "אבל מכיוון שאופן פעולתו לא היה ידוע, היישום המעשי שלו הוגבל עד כה." שני החוקרים והצוות שלהם הבהירו את מבנה האנזים וכן את אופן פעולתו.
מנגנון פשוט לתגובה מסובכת
למיקרואורגניזמים יש אנזימים ספציפיים שבעזרתם הם יכולים, למשל, לפרק חומרים מזיקים ולהשתמש בהם כחומרי הזנה. סטירן אוקסיד איזומראז הוא אחד מאלה. יחד עם שני אנזימים אחרים, הוא מאפשר לחיידקים סביבתיים מסוימים לגדול על סטירן הפחמימני.
הסטירן אוקסיד איזומראז מזרז שלב מאוד ספציפי בתגובה: הוא מפצל טבעת בת שלושה איברים בתחמוצת הסטירן המורכבת מחמצן אחד ושני אטומי פחמן, מה שנקרא אפוקסיד. בכך האנזים הוא מאוד ספציפי ויוצר רק מוצר אחד. הוא גם מסוגל להמיר מספר חומרים נוספים, לייצר חומרי מוצא חשובים ליישומים רפואיים.
שיאודן לי וריצ'רד קמרר אפיינו לראשונה אנזים שעשוי להפוך לכלי חשוב עבור הכלכלה המעגלית. המוניטור מציג ייצוג סכמטי של החלק המרכזי של המרכז הפעיל של אנזים זה. קרדיט: מכון פול שרר/מרקוס פישר
יתרון מסוים קשור לעובדה שבתגובות כימיות רבות נוצרות גם תמונה וגם תמונת מראה של תרכובת כימית, שעשויות להיות להן השפעות ביולוגיות שונות לחלוטין. אבל האנזים הזה יוצר באופן ספציפי רק אחד משני המוצרים. בכימיה תכונה זו נקראת סטריאוספציפיות – היא חשובה במיוחד ליצירת מולקולות מבשרות לתרופות. "האנזים הוא דוגמה מרשימה לאופן שבו הטבע מאפשר תגובות כימיות בצורה פשוטה וגאונית", אומר שיאודן לי.
שימושי ביותר בתעשיות כימיות ותרופות
במסגרת חקירותיהם, שביצעו בחלקן במקור האור השוויצרי SLS, גילו חוקרי ה-PSI את סוד האנזים: קבוצה המכילה ברזל בחלק הפנימי שלה, בדומה לפיגמנט המכיל ברזל בתאי הדם האדומים שלנו. קבוצת ההם הזו קושרת את טבעת האפוקסיד, וכך היא הופכת את התגובה לכל כך פשוטה ויעילה. חלקים אחרים של החקירות בוצעו על ידי הקבוצה של וולודימיר קורכוב, גם היא ממעבדת PSI למחקר ביו-מולקולרי ופרופסור חבר במחלקה לביולוגיה ב-ETH ציריך, באמצעות מיקרוסקופיה קריו-אלקטרון.
שיאודן לי וריצ'רד קמרר מרגישים בטוחים שהאנזים יתגלה כשימושי ביותר בתעשיות הכימיות והתרופות. "עד כה זהו האנזים החיידקי היחיד שידוע כמזרז את תגובת מיינוולד", מדגיש ריצ'רד קמרר. בעזרת האנזים, התעשייה תוכל לייצר חומרים מבשרים לתרופות וכימיקלים חשובים בתנאים חסכוניים באנרגיה וידידותיים לסביבה.
שיאודן לי מוסיף: "אפשר לשנות את האנזים כך שיוכל לייצר הרבה מאוד חומרים חדשים." בנוסף, האנזים יציב מאוד ולכן מתאים ליישומים תעשייתיים בקנה מידה גדול. "זה בהחלט יהפוך לכלי חדש וחשוב לכלכלה מעגלית ולכימיה ירוקה", משוכנעים חוקרי PSI.
